家庭储能系统整体电源解决方案

摘要
  随着智能化、信息化时代的到来，用电需求大大增加。为缓解环境污染、能源消耗等方面的压力，全球都在寻找绿色的发电方式，寄众望于光伏发电。在政策扶持和光伏储能降低发电成本的优势下，家庭光伏发电储能系统正逐步步入千家万户。针对整个家庭光伏储能系统，金升阳提供全套系统的电源解决方案，致力于简化客户设计，增加系统的可靠性。

关键字：光伏发电、储能系统、电源解决方案、金升阳
一、引言
       随着美国“百万太阳能屋顶计划”和德国“能源转型”的持续发展，家庭储能系统，尤其政府对民间使用光伏电力给予高额度的补贴，使得大部分民众实现家庭电力的自给自足，还可储存多余的电量，导致了德国乃至欧洲家庭储能市场的兴起。
      家庭储能系统类似于一个微型储能电站，其运行不受城市供电压力影响。在用电低谷时间，家庭储能系统中的电池组可自行充电，以备用电高峰或断电时使用。除用作应急电源外，家庭储能系统也因能均衡用电负荷，从而节省家庭电力开支。
      虽然当前家庭储能系统的市场需求更多出于民众对应急后备电源的需要，但在业内人士看来，使用家庭储能系统可以组合太阳能等新能源发电系统、推动新能源的推广以及构筑智能电网，市场前景广阔。

二、家庭储能系统基本结构及组件要求
     家庭储能系统目前分为两种，一种为并网家庭储能系统，一种为离网家庭储能系统。

     并网家庭储能系统由五大部分构成，包括：太阳能电池阵列、并网逆变器、BMS管理系统、电池组、交流负载。系统采用光伏与储能系统混合供电。市电正常时，由光伏并网系统和市电为负载供电；市电断电时，由储能系统和光伏并网系统联合供电。并网家庭储能系统分为三种工作模式，模式一：光伏提供储能、余电上网；模式二：光伏提供储能、部分用户用电；模式三：光伏仅提供部分储能。并网家庭储能如图一所示：


                                      
             图一  并网家庭储能系统图（图片来自网络）

   离网家庭储能系统是独立的，和电网没有任何的电气连接，因此整个系统并不需要并网逆变器，光伏逆变器就可以满足要求。离网家庭储能系统分为三种工作模式，模式一：光伏提供储能和用户用电（晴天）；模式二：光伏和储能电池提供用户用电（阴天）；模式三：储能电池提供用户用电（傍晚和雨天）。离网家庭储能如图二所示：

                图二  离网家庭储能系统图（图片来自网络）
      综上所述，目前需求的储能设备主要为BMS电池管理系统，光伏并网逆变器、储能逆变器。针对以上家庭储能设备需求，并结合光伏系统各单元电路安全隔离特性，金升阳提出一整套控制单元的电源解决方案。
三、电池管理系统BMS单元电源解决方案
     电池作为系统的核心储能器件，需要实时监控电池的在线状态，因此BMS的重要性不言而喻。BMS系统中BCU 模块通过CAN 总线与BMU 模块实时通信，获取单体电压、箱体温度、绝缘电阻等系统参数；通过电流传感器采集充放电电流，动态计算SOC，并通过触摸屏显示相关数据。BCU 计算分析得出电池组综合信息后，进行系统智能管理：通过独立的CAN 总线智能交互；同时，也可通过继电器实现对充放电的二级保护，确保强弱电有效隔离，满足客户多样化的安全控制需求，保障系统稳定高效地运转。
 
                      图三  电池管理系统BMS电源方案框图
      如图三所示，储能系统的BMS电源方案主要核心在于隔离电压变换。主控单元主要基于24VDC的系统，且整个主控单元的功率不足5W，因此可选URB2405YMD-10WR3，输出5VDC电压，用于给隔离模块F0505XT-1WR2以及LDO供电。LDO由5VDC输入电压转换为3.3V输出电压用于给MCU供电。系统中6PCS  F0505XT-1WR2则用于给4个CAN通信模块、电压与绝缘检测电路、电流检测电路供电，同时实现电源电路与信号电路及通信模块隔离，减小干扰、提高稳定性以及可靠性。除此之外，金升阳公司的CF0505XT-1WR2的汽车级电源被广泛应用于车载BMS系统中。
四、光伏逆变器监控单元电源方案
    太阳能光伏组件进行电能汇聚流，转向逆变器进行直流转换成交流。逆变器在工作过程中，同样需要转换过程监测、控制和通信，以保证逆变电压满足指标要求。此部分监控单元可直接从市电上取电工作。

    如图四所示，由LH系列模块电源直接从市电上取电转换输出24V，再经过非隔离转换模块K7805-500R3输出5VDC电压；B0503XT-2WR2给MCU提供满足功能隔离耐压的3.3V工作电压；采用隔离、高速的TD501D485H通信模块，可抑制电磁干扰和消除接地环路,保护系统电路免受外部网络影响；另外，金升阳专门针对逆变全桥的IGBT开发一款集成有DC-DC电源的隔离驱动器QP12W08S-37，简化客户驱动控制电路的设计，提高可靠性。


 
                  图四  逆变器监控单元电源方案框图

五、光伏并网逆变器监控单元电源方案

     光伏并网逆变器又叫双向储能逆变器、逆变一体机，系统由AC-DC单元、DC-DC单元、控制单元、通讯单元、转移继电器单元组成。双向储能逆变器分为两种供电设备，一种为市电供电，另外一种为电池板供电。


 
                 图五  逆变器监控单元电源方案框图
     如图五所示，AC-DC电源的功率主要考虑到主控板和风扇的功率，本系统为15KW的设备；AC-DC电源推荐我司的LH40-10B24的产品，24V输出一部分给风扇供电，另外一部分给主控板供电。主控板推荐金升阳全新升级的R3系列产品，URB2415YMD-10WR3给IGBT的驱动器进行供电，以及URB2405YMD-6WR3给MCU和通信进行供电。
     URB_YMD-6/10WR3系列产品全自动化的生产工艺，大大降低了人工成本，优越的性能大大领先于同行水平，超高的性价比，完全满足光伏行业对于整体成本的苛刻要求。    
六、金升阳系列模块电源的简介
1.宽压输入隔离DC-DC电源
产品特点：                                                                                                 

    宽输入电压范围（4:1）                                                                
    工业级工作温度：-40℃ to  +85℃
    隔离电压:1500VDC
    轻载效率高达78%、纹波噪声低至50mV                 
    空载功耗：低至0.12W
    输入欠压，输出过压、短路、过流保护
    裸机满足CISPR22/EN55022 CLASS A
    通过UL60950、EN60950 和IEC60950 认证


2. 定压输入隔离DC-DC电源
产品特点：
    可持续短路保护
    工作温度范围: -40℃ to +105℃
    隔离电压：3000VDC  
    纹波噪声低至50mV
    效率高达80%




3.隔离AC-DC电源系列
产品特点：
    稳压输出、低纹波噪声
    隔离电压：3000VAC
    输出短路、过流、过压保护
    通过IEC60950、UL60950、EN60950 认证
    全塑料外壳，符合UL94V-0



七、小结

     家庭储能逐步规模化、普及化，是全球面向未来能源需求的健康合理化发展趋势。金升阳积极参与能源技术绿色化发展，结合自身技术平台优势和自主创新能力，针对家庭储能系统提供一整套电源解决方案，简化家庭储能系统的电路方案，降低了家庭系统的建设和维护成本，综合提升系统的稳定性、安全性、可靠性。
参考文献：
1. THE GERMAN ENERGIEWENDE BOOK. Craig Morris, Martin Pehnt. 12/2016.
2. The Energy Storage Market in Germany - Issue 2017/2018. Germany Trade & invest. 2017.
3. THE CALIFORNIA MILLION SOLAR ROOFS INITIATIVE. SCCGOV